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江南大学研发仿生向日葵水凝胶：一种自主光跟踪光催化系统

文章来源：「高分子材料科学」微信更新时间：2021-06-16 14:33:34

【科研摘要】

开发能够全天有效捕获光的自适应光催化系统不仅是一个梦想，也是一个挑战。最近，鲁汶大学Feili Lai博士/江南大学刘天西教授团队报告了一种基于光响应的智能水凝胶的“仿生向日葵”，它可以自发地将自身定向并定向到光源上，从而模仿植物向光性。作为一种新型的光催化系统，它可以有效地恢复斜入射能量密度的损失，并在0至90°的任意入射角下将光催化效率保持在最大水平。

以产生H2O2的光催化为例，与没有光致性的相同光催化体系（83.5 μmol g-1 h -1）。通过COMSOL Multiphysics模拟和密度泛函理论（DFT）计算进行的理论分析揭示了促动运动背后的机制，该机制触发了仿生向日葵的弯曲并确定了光催化过程中生成H2O2的活性位点。这项工作提出了一种新颖的光催化概念，可以通过最佳利用太阳能来促进任何传统的光催化反应。相关论文以题为The Bionic Sunflower: A Bio-inspired Autonomous Light Tracking Photocatalytic System发表在《Energy & Environmental Science》上。

【主图导读】

图1.（a）是天然向日葵的示意图和仿生向日葵的组成的示意图。（b）仿生向日葵的照片。（c）CPH和（d）RPH的SEM图像。（e）CdS/rGO复合材料的TEM图像。（f）rGO，CdS块和CdS/rGO复合物的XRD图谱和（g）UV-Vis漫反射光谱。

图2.（a）不同入射光角度的仿生向日葵的照片。（b）弯曲的仿生向日葵形状恢复过程的照片。（c）仿生向日葵光响应行为的形状稳定性。（d）RPH随温度升高的归一化体积曲线。（e）拟议的仿生向日葵的光致变色原理和方法。（f）仿生向日葵不同部位的时间依赖性温度。（g）RPH模型中的模拟热分布。

图3. 分别在（a）不同的气氛和（b）不同的温度下仿生向日葵的H2O2生成。（c）在不同的入射角下，没有光致变色物质的仿生向日葵的H2O2释放速率。（d）在90°辐射下，H2O2的形成取决于仿生向日葵的时间，并且没有光致变色物质。（e-f）然后将仿生向日葵和对照样品在不同的天顶角和方位角（90°天顶角）下归一化的ECE（能量收集效率）。

图4.（a-b）在CdS，CdS/rGO-up，CdS/rGO-down和rGO的不同位置上发生两种反应机理后，生成H2O2的自由能图。插图显示了催化过程中CdS/rGO-up表面的优化结构。

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